Study on structural, electronic and magnetic properties of Ni-Mn-Ga and Ni-Mn-In ferromagnetic shape memory alloy systems

par Jing Bai

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Claude Esling, Jean-Marc Raulot et de Xiang Zhao.

Le président du jury était Liang Zuo.

Le jury était composé de Cheng Bao Jiang, Isabelle Morelon, Yandong Wang, Yudong Zhang.

  • Titre traduit

    Etude des propriétés structurales, électroniques et magnétiques d'alliages à mémoire de forme ferromagnétiques dans les systèmes Ni-Mn-Ga et Ni-Mn-In


  • Résumé

    Les Alliages à Mémoire de Forme Ferromagnétiques (AMFF) sont de nouveaux matériaux intelligents qui présentent des déformations induites par l’application d’un champ magnétique pouvant aller jusqu’à 10%. Ainsi, ils ont un fort potentiel pour de nombreuses applications technologiques. En outre, les couplages forts entre le champ magnétique et la structure dans ces matériaux rendent le phénomène « mémoire » très intéressant d'un point de vue scientifique. Ce travail présente une investigation de ces matériaux via des calculs ab initio effectues en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) a l’aide du logiciel VASP. Dans les alliages stœchiométriques du type Ni2XY (X = Mn, Fe, Co, Y = Ga, In), les paramètres structuraux, les distances interatomiques, les moments magnétiques partiels et totaux augmentent graduellement avec le nombre d’électrons de valence de l’élément X alors que le module de compressibilité varie en sens inverse. Les énergies de formation des composes indiquent une tendance a la déstabilisation de l’alliage si les atomes de Mn sont substitues par des atomes de Fe ou de Co mais également si les atomes de Ga sont remplacés par des atomes d’In. La liaison forte entre les atomes de Ni dans Ni2MnGa est remplacée par des liaisons entre les atomes de Ni et de X dans les autres alliages. Pour les alliages non-stoechiométriques Ni2XY (X = Mn, Fe, Co, Y = Ga, In), des énergies de formation de plusieurs types de défauts (permutations atomiques, enrichissement et appauvrissement en un ou plusieurs éléments, lacunes) ont été calcules. Dans la plupart des cas, les atomes en excès occupent les sites de l’atome déficient, sauf dans le cas d’un compose pauvre en Ni et riche en Y. Dans ce dernier cas, la paire de défauts (YX + Xni) est énergétiquement plus favorable. La valeur du moment magnétique dépend de manière très sensible de la distance entre les atomes de Ni et X. Les effets de l'addition de Co sur les propriétés de l’alliage Ni8-xMn4Ga4Cox (x=0-2) ont été étudiés. Les atomes de Co occupent préférentiellement les sites Ni. Les énergies de formation calculées indiquent une instabilité structurale augmentant avec la teneur en Co pour les deux phases : austénite paramagnétique (AP) et ferromagnétique (AF). La différence d'énergie totale entre ces 2 phases AP et AF augmente également avec la teneur en Co, qui se traduit par une élévation de la température de Curie Tc quand le Ni est substitue par le Co. La complémentarité et le couplage des aspects fondamentaux tels que la cristallographie, la stabilité de phase, et la structure électronique dans les AMFF de type Ni-X-Y (X = Mn, Fe, Co, Y = Ga, In) ont une grande importance pour améliorer les performances fonctionnelles et permettront de concevoir de nouveaux AMFF prometteurs


  • Résumé

    Ferromagnetic shape memory alloys (FSMAs) are novel smart materials which exhibit magnetic field induced strains of up to 10 %. As such they have potential for many technological applications. Also, the strong magnetostructural couplings of the FMSM effect make the phenomenon very interesting from a scientific point of view. In the present work, a series of first–principles calculations have been performed within the framework of the Density Functional Theory (DFT) using the Vienna Ab initio Software Package (VASP). In the stoichiometric Ni2XY (X=Mn, Fe, Co; Y=Ga, In) alloys, lattice parameters, atomic separations, total and partial magnetic moments decrease gradually with the increase in the X atomic number; whereas the bulk modulus displays an opposite tendency. The formation energy indicates a destabilization tendency if Mn is substituted by Fe or Co, or Ga is replaced by In. The strong bond between neighboring Ni atoms in Ni2MnGa is replaced by the bond between Ni and X atoms in other alloys. For the off-stoichiometric Ni2XY (X=Mn, Fe, Co; Y=Ga, In), the formation energies of several kinds of defects (atomic exchange, antisite, vacancy) were calculated. For most cases of the site occupation, the excess atoms of the rich component directly occupy the site(s) of the deficient one(s), except for Y-rich Ni-deficient composition. In the latter case, the defect pair (YX + XNi) is energetically more favorable. The value of Ni magnetic moment sensitively depends on the distance between Ni and X atoms. The effects of Co addition on the properties of Ni8-xMn4Ga4Cox (x=0-2) FSMAs were systematically investigated. The added Co atoms preferentially occupy the Ni sites. The calculated formation energies indicate a structural instability with the increase in the Co content for both paramagnetic (PA) and ferromagnetic austenite (FA). The total energy difference between PA and FA increases, which results in the rise of Tc when Ni is replaced by Co. Insights into fundamental aspects such as crystallography, phase stability, and electronic structure in Ni-X-Y (X=Mn, Fe, Co; Y=Ga, In) FSMAs are of great significance to improve the functional performances and to design new promising FSMAs


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  • Détails : 1 vol. (134-[22] p.)
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